Brechung von Schallwellen (Refraktion) Streuung von Schallwellen

Brechung von Schallwellen (Refraktion)
Schallwellen würden sich in der Atmosphäre nur dann
geradlinig ausbreiten, wenn die Schallgeschwindigkeit überall
gleich wäre und kein Wind herrschte. Da die
Schallgeschwindigkeit von der Lufttemperatur abhängt und sich
diese wiederum vor allem mit der Höhe stark ändert, kann nicht
von einer einheitlichen Schallgeschwindigkeit ausgegangen
werden. Auch weht in der Atmosphäre häufig ein Wind, der die
Schallwellen zusätzlich verfrachtet. Auch die windbedingte
zusätzliche Schallgeschwindigkeit hängt von der Höhe ab, da
die Windgeschwindigkeit vom Boden ausgehend mit der Höhe
zunimmt.
In einem Medium mit unterschiedlichen
Ausbreitungsgeschwindigkeiten, breiten sich Wellen nicht mehr
geradlinig aus, sondern werden gebrochen, d.h. die
Ausbreitung verläuft gekrümmt. Dies geschieht auch mit den
Schallwellen in der Atmosphäre.
Die Darstellung der Brechung von Schallwellen geschieht in der
Regel mit Hilfe von Schallstrahlen, die wie Lichtstrahlen, die
Richtung der Wellenausbreitung beschreiben.
Nimmt nun die Schallgeschwindigkeit mit der Höhe ab,
entweder weil die Temperatur mit der Höhe abnimmt oder im
Falle von Schallausbreitung gegen den Wind
(Gegenwindausbreitung), so werden die Schallstrahlen nach
oben gebrochen. Es steht dabei ein akustischer Schatten, in
den die Schallwellen nicht direkt einfallen können. Lediglich
infolge von Beugung oder Streuung kann Schallenergie in die
Schattenzone gelangen. Dennoch ist es in der Schattenzone
deutlich leiser, als es auf Grund der Entfernung zur Quelle zu
erwarten wäre.
Nimmt die Schallgeschwindigkeit dagegen mit der Höhe zu,
entweder weil die Temperatur mit der Höhe zunimmt (Inversion)
oder im Falle von Schallausbreitung in Windrichtung
(Mitwindausbreitung), so werden die Schallstrahlen nach unten,
d.h. in Richtung auf den Boden, gebrochen. Am Boden selbst
kann es zu Reflexion kommen. Die reflektierten Schallstrahlen
werden erneut nach unten gebrochen. Die Folge sind
Mehrfachreflexionen und eine Begünstigung der
Schallausbreitung in Bodennähe über weite Entfernungen
hinweg.
Streuung von Schallwellen
Die Atmosphäre ist in der Nähe des Erdbodens meist turbulent,
d.h. der Wind verwirbelt und führt zu zufälligen Druck- und
Dichteschwankungen in der Luft. Ist die Größe der turbulenten
Wirbel etwa so groß wie die Wellenlänge der Schallwellen, so
wird ein Teil der Schallenergie gestreut, d.h. von der
eigentlichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Auch Hindernisse
in der Luft, deren Ausdehnung kleiner ist als die jeweilge
Wellenlänge führen zur Streuung von Schallwellen, z.B. Zweige
und Blätter im Wald.

Beugung von Schallwellen (Diffraktion)
Die Beugung von Schallwellen ist ein wichtiger
physikalischer Mechanismus, der für den Eintrag von
Schallenergie in akustische Schatten sorgt, d.h. in
Bereiche, die vom direkten Schalleinfall abgeschattet
sind, wie etwa hinter Hindernissen. Deswegen kann man
zum Beispiel hinter einem Gebäude die vor dem
Gebäude verlaufende Straße hören, wenn auch stark
gedämpft.
Physikalisch lässt sich die Beugung mit dem Van
Huygen'schen Elementarwellenprinzip erklären.
Beugung von Schallwellen hinter einem
Gebäude
Beugung findet auch an konvex gekrümmten
Geländeoberflächen statt, z.B. an Hangkanten und
Hügeln. Des Weiteren wird Schallenergie durch
Beugung in die akustischen Schattenzonen geworfen, die
durch Aufwärtsbrechung von Schallwellen hervorgerufen
werden. Deswegen ist es im akustischen Schatten nicht
völlig ruhig.
Beugung in einen akustischen Schatten
hinter einem Hügel
Neben der Beugung führt auch die Streuung von
Schallwellen dazu, dass Schallenergie in Schattenzonen
einstrahlen kann.
Beugung in einen akustischen Schatten
bei Aufwärtsbrechung

Reflexion von Schallwellen
Treffen Schallwellen, die sich durch die Luft
ausbreiten, auf die Oberfläche eines Hindernisses
(z.B. Erdboden, Gebäude, Schallschutzschirm), so
werden sie dort reflektiert. Grundsätzlich gilt die
Regel, dass der Ausfallwinkel eines Schallstrahls
gleich dem Einfallwinkel ist. Die direkt an einem Ort
einfallenden Schallwellen überlagern sich mit den
reflektierten Schallwellen, wobei es im Falle einer
kohärenten Schallquelle je nach
Laufwegunterschied und Frequenz bzw.
Wellenlänge zu einer Verstärkung (konstruktive
Interferenz) oder Abschwächung (destruktive
Interferenz) der Schallamplitude kommt.
Entscheidend für das Maß der Reflexion sind die
Materialeigenschaften des Hindernisses (Dichte,
Porosität etc.), die durch die Impedanz
(Wellenwiderstand) beschrieben werden. Nahezu
vollständig wird Schall an Beton oder
Wasserflächen reflektiert (schallhartes Material),
während an der Oberfläche von lockeren Böden
oder Schnee nur wenig Schall reflektiert wird
(schallweiches Material).
Treffen die Schallwellen in einem sehr flachen
Winkel (streifender Schalleinfall) auf einen
schallweichen Boden (z.B. Gras), so dringen sie
teilweise in den Boden ein und gelangen
phasenverschoben wieder an die Luft. Bei der
Überlagerung mit dem direkten Schall führt dies
trotz nahzu gleichem Laufweg zu einer
Amplitudenschwächung (Bodendämpfungseffekt).
Aus diesem Grund hört man in den oberen
Stockwerken eines Hauses die Geräusche einer
Straße wesentlich lauter als in den unteren Etagen.
Liegt zwischen der Schallquelle und dem
Empfänger ein schallharter Boden (Beton,
Pflastersteine) so ist keine Bodendämpfung zu
erwarten.
Über konkaven Geländeoberflächen (Talsohle,
Mulde) kann es zu Mehrfachreflexionen und
entsprechender Schallverstärkung kommen, da die
Bodendämpfung durch eine Energiebündelung
(Fokussierung) kompensiert werden kann. Ein
ähnlicher Effekt stellt sich bei Abwärtsbrechung
über ebenem Boden ein.
Überlagerung von direktem und reflektiertem
Schall
Hohe Bodendämpfung bei flachem Schalleinfall
Mehrfachreflexion bei Abwärtsbrechung
(Mitwindausbreitung)